纖維板廢水深度處理磁性活性炭復合材料

纖維板廢水具有可生化性差、色度高、組分復雜等特點，屬于難處理的工業(yè)廢水之一。隨著纖維板生產(chǎn)技術進步，各種新型膠黏劑，如三聚氰胺-尿素共縮合樹脂、淀粉改性脲醛樹脂、MDI膠（二苯基甲烷二異氰酸酯）等不斷地開發(fā)和應用，干燥尾氣噴淋除塵帶來的置換廢水等原因，導致纖維板廢水中難以降解、有毒性的物質(zhì)（長鏈難降解的有機化合物、高濃度甲醛和氨氮以及高濃度的無機鹽）越來越多，處理難度越來越大，對環(huán)境危害也越來越嚴重；部分地區(qū)出于環(huán)境功能區(qū)建設的需要，對外排廢水的水質(zhì)有更高的要求，如其中排放指標CODcr≤50mg/L。此外，傳統(tǒng)的處理工藝已無法滿足現(xiàn)階段環(huán)境功能限制地區(qū)廢水的排放要求，且纖維板廢水具有高色度的特性，導致經(jīng)處理后的廢水較難達到《污水綜合排放標準》中一級標準的色度指標（色度≤50倍）要求，因此尋找一種適用于纖維板廢水深度處理的工藝顯得尤為重要。

1、試驗原理

廢水深度處理工藝一般選用高級氧化技術，如芬頓、微電解等，或活性炭吸附處理工藝。由于高級氧化技術對處理操作要求高、需要使用較多的危險化學品、處理效率有限等原因，不能完全適用于纖維板廢水的深度處理?；钚蕴课教幚砉に嚲哂兄芷诙?、出水水質(zhì)好、無二次污染等優(yōu)點，已被廣泛應用于染料廢水的脫色處理。由于活性碳具有發(fā)達的孔隙結構、巨大的比表面積和化學性質(zhì)穩(wěn)定等特點，是廢水處理中應用最為有效的吸附劑之一。但是單純以活性炭吸附作為纖維板廢水深度處理工藝，有一定局限性，如沉淀較慢、污泥容易“翻騰”等，導致活性炭吸附處理效率低等，制約了活性炭吸附工藝在纖維板廢水深度處理中的應用。

針對纖維板廢水特性，通過在活性炭中加載磁性物質(zhì)（四氧化三鐵），使其在吸附沉淀過程形成磁場效應，即磁沉淀效應，使廢水中懸浮顆粒含量增加，提高了膠體碰撞幾率，強化絮凝效果；磁種的加入可降低水體的Zeta電位，促進了膠體“脫穩(wěn)”；磁種的加入并形成絮凝核心，形成的磁性絮體相互之間產(chǎn)生磁引力，通過架橋和網(wǎng)捕作用可加速絮體形成與長大，從而短時間內(nèi)達到強化絮凝的作用，加快沉淀速度，提高處理效率。

2、試驗部分

2.1 試劑與儀器

主要試劑：氫氧化鉀、鹽酸、硝酸、氨水（NH3質(zhì)量分數(shù)25%）、六水三氯化鐵、七水硫酸亞鐵等，分析純；氮氣，工業(yè)高純。

主要儀器：管式電阻爐，電熱恒溫鼓風干燥箱，球磨機，恒溫水浴振蕩器，精密pH計，紫外分光光度計等。

2.2 磁性活性炭復合材料的制備

取福建邵武竹制品下腳料（不含竹表皮，顆粒≤5mm），洗凈后經(jīng)過80～100℃干燥。取適量竹制品下腳料均勻鋪在管式電阻爐玻璃管中?？刂频獨饬髁繛?/span>1L/min，溫度為450℃，炭化45min，冷卻后經(jīng)研磨、篩分，得到碳化料。

將碳化料300g與氫氧化鉀10g按照30∶1（質(zhì)量比）浸漬于1000mL水中，置于90℃恒溫水浴鍋中12h。過濾后將碳化料干燥4h，在氮氣保護作用下，800～900℃活化3h，以此得到所需的活性炭樣品。

磁種制備過程見圖1。取200g制備完成的活性炭粉末與1L濃度為0.3mol/L的鹽酸放置燒杯中混合，室溫下攪拌10h，蒸餾水反復沖洗，直至上清液為中性，離心分離，得到中性的高純度活化后的活性炭，控制溫度60℃烘干12h后備用。在氮氣保護下，把5g、10g、15g、20g、25g、30g的活性炭分別與2.71g的FeCl3?6H2O和1.55g的FeSO4?7H2O快速加入到300mL蒸餾水中，并攪拌均勻，向混合液中逐滴加入濃度2mol/L的氨水，調(diào)節(jié)pH到9～10，70℃下冷凝回流3h。在強磁鐵下分離得到黑色沉淀物（磁種），用去離子水反復沖洗，60℃真空干燥箱中干燥12h至恒重，碾磨成粉末，得到不同配比磁性活性炭復合物（1#、2#、3#、4#、5#、6#）。另取一定量的活性炭樣品，不添加磁種，作為7#樣品。

2.3 試驗水樣

水樣來自某中密度纖維板廠綜合廢水經(jīng)過物化和生化后（SBR后）的出水，廢水呈淺棕褐色，其主要水質(zhì)指標如表1所示。

2.4 分析方法

CODcr采用HJ828―2017《水質(zhì)化學需氧量的測定重鉻酸鹽法》；pH值采用GB6920―1986《水質(zhì)pH值的測定玻璃電極法》；色度采用GB11903―1989《水質(zhì)色度的測定》。

2.5 試驗方法

取1L水樣，調(diào)節(jié)pH值，投加一定量磁性活性炭復合材料，攪拌反應30min，靜置過濾，取清液進行水質(zhì)分析。

3、結果與討論

3.1 不同配比的磁性活性炭復合材料對CODcr和色度處理效果的影響

控制pH=7，投加0.3g不同配比的磁性活性炭復合材料（1#～6#）和7#活性炭，攪拌30min，靜置后取清液分析。

從圖2色度去除率曲線可以看出，磁性活性炭復合材料對污水的脫色效果較理想，去除率可達到50%，色度可以從120倍降至60倍。5#～7#復合物對廢水的脫色效果沒有太大差異，其原因是C-Fe3O4復合物的主要成分為活性炭，活性炭將廢水中的膠體物質(zhì)（主要是顯色官能團）吸附后沉降，達到脫色的目的。由于1#～4#磁性活性炭復合材料的活性炭含量少（活性炭含量小于90%），復合材料密度高，沉降速度快，無法形成有效的吸附，因此脫色效果不夠理想。

從圖2的CODcr去除率曲線可看出，隨著磁種（Fe3O4）比例降低（1#～4#），COD的去除率升高，其原因是磁性活性炭復合材料含磁種的量逐步下降，分別為31.7%、18.8%、13.4%、10.4%，密度從高到低，使得復合材料顆粒在廢水中懸浮時間逐漸增長，其吸附廢水中的膠體時間增長，COD處理效率也提高。

當磁種含量降到10%之后（5#～7#的磁種含量分別為8.5%、7.2%和0），去除率則隨之降低，其原因是由于磁性Fe3O4顆粒之間存在著磁引力，隨著磁性Fe3O4顆粒含量下降到一定程度，絮凝吸附“核心”也隨之減少，顆粒彼此之間的靜止磁引力減少，導致架橋和網(wǎng)捕作用降低，廢水中膠體顆粒的聚集性降低，絮體顆粒生長慢，CODcr去除效果隨之降低，焦龍論文中也得到相關驗證。從試驗數(shù)據(jù)推斷，當磁種（Fe3O4）含量約為10%，制備出的磁性活性炭復合材料對纖維板廢水CODcr的去除率最高。

3.2 初始pH值對CODcr和色度處理效果的影響

投加4#磁性活性炭復合材料，控制投加量0.3g，調(diào)整pH值，攪拌反應30min，靜置后取清液分析。

從圖3的色度變化和CODcr去除率曲線可看出，當pH=7時，COD去除效果最好（去除率為57.8%，CODcr=76mg/L），pH≥7時色度變化已經(jīng)趨于穩(wěn)定（色度為60倍）。分析其原因，當pH＜7時，酸性越強，磁種（Fe3O4）被溶解，廢水中Fe3+/Fe2+的濃度升高，造成色度升高；由于磁性活性炭復合材料的磁種被消耗，導致其架橋和網(wǎng)捕作用降低，造成COD去除率低。當pH≥7時，磁種（Fe3O4）不參與化學反應，磁性活性炭復合材料吸附廢水中的膠體，提高脫色效果；由此可判斷磁性活性炭復合材料在pH=7時，脫色效果最佳。pH≥7，廢水中OH易與活性炭表面酸性官能團結合，削弱了活性炭的吸附能力，造成CODcr去除率降低。

3.3 投加不同量4#磁性活性炭復合材料對CODcr和色度處理效果的影響

控制反應pH=7，投加不同量的4#磁性活性炭復合材料，攪拌30min，靜置后取清液分析。

從圖4可看出，隨著磁性活性炭復合材料投加量增加，CODcr和色度去除率顯著提高，當磁性活性炭復合材料投加量＜0.7g時，CODcr和色度去除率隨著投加量的增加而上升；磁性活性炭復合材料投加量為0.7g時，CODcr去除率達到最佳效果（CODcr濃度為41mg/L，此時色度為30倍），而色度的去除率仍隨投加量增加呈上升趨勢（色度降至20倍），原因是磁性活性炭復合材料投加量過多時，廢水中的無機顯色離子被磁性活性炭復合材料吸附，造成色度的去除率持續(xù)上升。

3、結論

磁性活性炭復合材料的磁種含量約在10%（質(zhì)量比），對中/高密度纖維板廢水深度處理的效果最好。

控制廢水的pH=7，磁性活性炭復合材料（磁種含量約在10%）的投加量為700mg/L，為最佳反應條件，CODcr的去除率可達到77.22%，其質(zhì)量濃度可降到41mg/L。

磁性活性炭復合材料對中/高密度纖維板廢水處理的脫色效率顯著，最高色度去除率可達83.33%，色度可降至20倍，遠低于《污水綜合排放標準》表4的一級標準（色度≤50倍）。

該方法可作為中/高密度纖維板廢水深度處理工藝，可以滿足國家排放標準及受限的環(huán)境功能區(qū)的限值排放要求，有良好推廣應用效應。（來源：福州宇澄環(huán)保工程設計有限公司，福建綠航環(huán)?？萍加邢薰荆?/span>